KR101251514B1 - 차량용 리튬 공기 배터리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극을 구성하는 물질 및 양극에 석출된 과산화리튬을 진동시킴으로써 공기가 유입되는 기공을 막는 과산화리튬을 기공으로부터 떼어내거나 파쇄시켜 성능을 향상시킬 수 있는 차량용 리튬 공기 배터리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치는 산소가 환원되는 양극, 리튬 이온이 이동할 수 있는 전해액, 리튬이 산화되는 음극, 그리고 상기 전해액에 배치되어 양극과 음극을 분리하는 분리막을 포함한다.
상기 양극은 탄소와 촉매로 구성되어 있으며, 상기 음극은 리튬 금속으로 구성되어 있을 수 있다.
상기 차량용 리튬 공기 배터리 장치는 전기를 공급받아 초음파를 발생시킴으로써 상기 양극을 구성하는 물질 및 양극에 석출된 과산화리튬을 진동시키는 초음파 발생기를 더 포함할 수 있다.

Description

차량용 리튬 공기 배터리 장치{LITHIUM-AIR BATTERY SYSTEM FOR VEHICLES}
본 발명은 차량용 리튬 공기 배터리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극을 구성하는 물질 및 양극에 석출된 과산화리튬을 진동시킴으로써 공기가 유입되는 기공을 막는 과산화리튬을 기공으로부터 떼어내거나 파쇄시켜 성능을 향상시킬 수 있는 차량용 리튬 공기 배터리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 공기 배터리는 이차 전지의 일종이며, 높은 에너지밀도로 인하여 휴대폰이나 노트북과 같은 휴대용 가전제품에 많이 사용되고 있다. 또한, 리튬 공기 배터리는 가전제품 외에 연료전지차, 하이브리드차, 전기차와 같은 자동차의 전력 저장원으로 활용이 가능하다.
리튬 공기 배터리는 산소의 환원 반응이 일어나는 양극과, 리튬의 산화 반응이 일어나는 음극과, 리튬 이온 및/또는 전자를 이동시키는 전해액과, 상기 양극과 음극을 분리하는 분리막을 포함한다.
리튬 공기 배터리에서는 상기 전해액으로 비수성 전해액이 주로 사용되는데, 비수성 전해액을 사용하는 경우 리튬의 산화 반응에 의하여 발생되는 과산화리튬이 전해액에 용해되지 않고 외부의 공기가 유입되는 통로인 기공을 막아 외부의 공기의 유입을 방해하게 된다. 외부의 공기가 원활하게 유입되지 않으면 충전/방전 반응이 일어나는 것을 방해하게 되고, 이는 리튬 공기 배터리의 충전/방전 용량을 감소시키는 결과를 초래하게 된다.
차량에 리튬 공기 배터리를 사용하는 경우, 상기와 같이 충전/방전 용량이 감소하는 것은 위험한 사고를 일으킬 수 있다는 문제점이 있었다. 이에 따라, 차량에 리튬 공기 배터리를 사용하는 것은 제한되게 되었고, 최근에는 차량에 주로 연료 전지가 탑재되었다.
그러나, 이러한 연료 전지는 그 가격이 비싸다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 리튬의 산화 반응에 의하여 발생되는 과산화리튬을 외부 공기의 유입 통로인 기공으로부터 떼어내거나 파쇄시켜 안정적인 성능을 발휘할 수 있는 차량용 리튬 공기 배터리 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치는 산소가 환원되는 양극, 리튬 이온이 이동할 수 있는 전해액, 리튬이 산화되는 음극, 그리고 상기 전해액에 배치되어 양극과 음극을 분리하는 분리막을 포함한다.
상기 양극은 탄소와 촉매로 구성되어 있으며, 상기 음극은 리튬 금속으로 구성되어 있을 수 있다.
상기 차량용 리튬 공기 배터리 장치는 전기를 공급받아 초음파를 발생시킴으로써 상기 양극을 구성하는 물질 및 양극에 석출된 과산화리튬을 진동시키는 초음파 발생기를 더 포함할 수 있다.
상기 리튬 공기 배터리 장치는 상기 배터리의 전압 및/또는 전류를 측정하는 센서부; 그리고 상기 센서부의 측정값을 기초로 상기 초음파 발생기에 전기를 공급 또는 중단하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 센서부는 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서의 측정값을 기초로 상기 초음파 발생기에 전기를 공급 또는 중단할 수 있다.
상기 양극재에는 외부 공기의 유입을 원활하게 하는 복수개의 외부 기공이 형성될 수 있다.
상기 복수개의 외부 기공의 지름은 서로 다를 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 초음파 발생기를 통하여 초음파를 발생시켜 양극을 구성하는 재료 및 양극에 석출된 과산화리튬을 진동시킴으로써 과산화리튬을 외부 공기의 유입 통로인 기공으로부터 떼어내거나 파쇄시켜 안정적인 성능을 발휘할 수 있다.
또한, 리튬 공기 배터리의 양극에 서로 다른 직경의 외부 기공을 추가적으로 형성함으로써 리튬 공기 배터리의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 공기 배터리와 초음파 발생기를 자세히 도시한 개략도이다.
도 3은 리튬 공기 배터리의 작동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치의 작동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 종래의 리튬 공기 배터리 장치와 본 발명의 실시예에 따른 리튬 공기 배터리 장치의 성능을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기 배터리의 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 공기 배터리와 초음파 발생기를 자세히 도시한 개략도이며, 도 3은 리튬 공기 배터리의 작동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치는 리튬 공기 배터리(10), 초음파 발생기(20), 센서부(30), 제어부(40), 온도 센서(50), 보조 배터리(60), 그리고 스위치(70)를 포함한다.
리튬 공기 배터리(10)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일측면에 배치된 양극(102), 타측면에 배치된 음극(104), 상기 양극(102)과 음극(104) 사이에 배치된 전해액(106), 그리고 상기 전해액(106)에 배치되어 양극(102)과 음극(104)을 분리하는 분리막(108)을 포함한다.
양극(102)은 탄소(C)와 촉매로 구성되어 있으며, 외부의 공기에 포함된 산소의 환원 반응이 일어난다. 여기서 촉매는 상기 산소의 환원 반응을 촉진시키는 역할을 한다.
음극(104)은 리튬 금속으로 구성되어 있으며, 리튬(Li)의 산화 반응을 통해 리튬 이온(Li+)을 생성한다.
전해액(106)은 양극(102)과 음극(104) 사이에 배치되어 리튬 이온의 통로 역할을 한다.
리튬 공기 배터리(10)의 작동 원리에 대하여, 도 3을 참고로, 간단히 설명하기로 한다. 도 3에서 실선은 방전시의 리튬 이온과 전자의 이동 경로를 나타내고, 점선은 충전시의 리튬 이온과 전자의 이동 경로를 나타낸다.
리튬 공기 배터리(10)의 방전시에는 음극(104)에서 리튬이 리튬이온으로 변화하며 발생된 전자가 전해액(106)을 통하여 양극(102)으로 넘어가게 된다. 그러면, 양극(102)에서는 외부에서 들어오는 공기에 포함된 산소와 상기 전자가 반응하여 산소 이온이 발생되고 전류는 양극(102)에서 전기장치를 통해 음극(104)으로 흘러가게 된다. 이 때, 음극에서 발생된 리튬 이온도 전해액(106)을 통해 양극으로 넘어오게 되는데, 이 리튬 이온과 산소 이온이 아래와 같이 반응하여 과산화리튬이 일부 석출되게 된다.
2Li + O2 → Li2O2
리튬 공기 배터리(10)의 충전 반응은 앞에서 언급한 방전 반응의 역반응이다.
이러한 리튬 공기 배터리(10)의 구조 및 작동은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
초음파 발생기(20)는 선택적으로 전기를 공급받아 초음파를 발생시키고, 이렇게 발생된 초음파는 리튬 공기 배터리(10)의 양극(102) 내의 물질과 양극(102)에 석출된 과산화리튬을 진동시키게 된다. 이러한 초음파 발생기(20)는 당업계에서 널리 사용되므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 리튬 공기 배터리(10)의 양극(102)에는 최초에 탄소(c)가 존재하고 있는데, 리튬 공기 배터리(10)를 방전 하면, 음극(104)으로부터 리튬 이온이 전해질(106)을 통해 건너와 양극(102)에 공급되는 산소와 반응을 하여 일부가 과산화리튬으로 석출되게 된다. 이러한 과산화리튬은 탄소 주위를 둘러 싸서 산소가 탄소 사이에 삽입된 리튬 이온과 반응하는 것을 막게 된다. 이에 따라 리튬 공기 배터리(10)로부터 전류가 충분하게 생성되지 못하게 되는 것이다. 초음파 발생기(20)는 초음파를 발생시켜 양극(102)을 구성하는 물질과 양극(102)에 석출된 과산화리튬을 진동시키게 된다. 이 경우, 탄소 주위를 둘러 싸고 있는 과산화리튬이 초음파에 따른 진동에 의하여 탄소로부터 떨어지게 되고 일부는 파쇄되게 된다. 따라서, 산소와 리튬 이온 사이의 반응이 크게 방해를 받지 않게 된다.
센서부(30)는 리튬 공기 배터리(10)의 전류 및/또는 전압을 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(40)에 전달한다.
온도 센서(50)는 리튬 공기 배터리(10)의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어부(40)에 전달한다. 이러한 온도 센서(50)는 상기 센서부(30)에 포함될 수도 있다.
한편, 본 명세서에 기재된 센서들 외에 차량의 주행 상태를 검출하는 여러 가지 센서가 더 장착될 수 있음은 자명하다.
제어부(40)는 상기 센서부(30)에서 받은 전류 및/또는 전압 신호와 상기 온도 센서(50)에서 받은 온도 신호를 기초로 배터리(10)의 충전 및 방전을 제어한다. 리튬 공기 배터리(10)는 방전시에는 온도에 큰 영향을 받지 않으나 충전시에는 온도에 영향을 받게 된다. 따라서, 온도에 따른 전류 및 전압 특성을 고려하여 제어부(40)는 충전 및 방전을 제어해야 한다.
또한, 제어부(40)는 상기 전류 및/또는 전압 신호와 온도 신호를 기초로 초음파 발생기(20)에 인가되는 전기를 제어한다.
더 나아가, 상기 제어부(40)는 차량의 주행 상태를 더욱 고려하여 상기 리튬 공기 배터리(10)의 충전 및 방전 제어 및 초음파 발생기(20)에 인가되는 전기의 제어를 수행할 수 있다.
보조 배터리(60)는 상기 초음파 발생기(20)에 선택적으로 연결되어 전기를 선택적으로 공급한다. 이러한 보조 배터리(60)는 별도의 충전 수단을 구비하여 제어부(40)의 제어에 따라 충전될 수도 있다.
스위치(70)는 상기 제어부(40)의 제어에 따라 열리거나 닫히며, 보조 배터리(60)의 전기를 선택적으로 상기 초음파 발생기(20)에 공급하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 리튬 공기 배터리 장치는 차량의 주행 직전 및 차량의 주행 중 특정 시기에 초음파 발생기(20)를 작동시키게 된다. 차량의 주행 직전에 초음파 발생기(20)를 작동시켜 양극(102)을 구성하는 물질 및 양극(102) 내 과산화리튬 석출물들을 미리 제거하면, 주행 중 방전되는 배터리(10)의 용량이 증가하게 된다.
또한, 차량의 주행 중에 배터리가 방전되고 있는 경우에는 과산화리튬이 석출되므로 기본적으로 별도의 보조 배터리를 이용하여 초음파 발생기(20)를 항시 작동시키면 주행거리의 증가에 도움이 되나, 전력이 낭비될 소지가 있다. 따라서, 주행 중에는 배터리(10)에서 발생되는 전압 및/또는 전류의 상태를 항시 모니터링하여 설정값 이하로 떨어지는 경우 초음파 발생기(20)를 작동시키는 것이 효율적이다. 더 나아가, 경사로를 주행 중인 때에는 큰 전력이 필요하게 되는데, 배터리(10)의 기공이 막히는 경우 배터리(10)의 출력이 부족할 수 있다. 따라서, 제어부(40)는 배터리(10)에서 발생되는 전압 및/또는 전류를 모니터링하여 설정값 이하로 떨어지는 경우 초음파 발생기(20)를 작동시키게 된다.
도 5는 종래의 리튬 공기 배터리 장치와 본 발명의 실시예에 따른 리튬 공기 배터리 장치의 성능을 비교한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 초음파 발생기(20)를 사용하여 양극재 기공으로부터 석출물을 분리하는 경우 배터리(10)의 용량이 늘어나는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기 배터리의 개략도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기 배터리는 별도의 외부 기공(110)이 형성된 것을 제외하고는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 공기 배터리와 그 구조 및 효과가 동일하다.
복수개이 외부 기공(110)은 기존의 리튬 공기 배터리(10)에 형성된 양극재 기공과는 별도로 형성된다. 이러한 외부 기공(110)은 석출물에 의한 성능 감소를 사전에 예방하는 역할을 한다. 그러나, 단순히 외부 기공(110)을 형성하는 것만으로 배터리(10)의 성능 감소를 예방하지는 못하고 초음파 발생기(20)를 사용하여 석출물을 기공으로부터 제거하여야만 더욱 큰 효과를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 복수개의 외부 기공(110)의 직경은 서로 다른 것이 더욱 효과적이다. 그 이유는 배터리(10)의 출력에 따라 석출물의 발생 시간 및 크기가 달라지고 이에 따라 흡입되는 공기의 양이 달라지므로 반응성에 차이가 발생하게 된다. 이 때, 서로 다른 직경을 가진 외부 기공(110)을 형성하게 되면 배터리의 출력 차이에 따른 공기의 흡입 편차를 서로 보상하게 되어 성능 향상을 가져오게 된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (5)

  1. 산소가 환원되는 양극, 리튬 이온이 이동할 수 있는 전해액, 리튬이 산화되는 음극, 그리고 상기 전해액에 배치되어 양극과 음극을 분리하는 분리막을 포함하는 차량용 리튬 공기 배터리 장치에 있어서,
    상기 양극은 탄소와 촉매로 구성되어 있으며, 상기 음극은 리튬 금속으로 구성되어 있고,
    전기를 공급받아 초음파를 발생시킴으로써 상기 양극을 구성하는 물질 및 양극에 석출된 과산화리튬을 진동시키는 초음파 발생기;
    상기 배터리의 전압 및/또는 전류를 측정하는 센서부; 그리고
    상기 센서부의 측정값을 기초로 상기 초음파 발생기에 전기를 공급 또는 중단하는 제어부;
    를 더 포함하며,
    상기 센서부는 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서의 측정값을 기초로 상기 초음파 발생기에 전기를 공급 또는 중단하는 것을 특징으로 하는 차량용 리튬 공기 배터리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극에는 외부 공기의 유입을 원활하게 하는 복수개의 외부 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 리튬 공기 배터리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 외부 기공의 지름은 서로 다른 것을 특징으로 하는 차량용 리튬 공기 배터리 장치.
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